模塊化感應電力傳遞電力供應器及操作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及無線電力傳遞，且更具體來說，涉及與到遠程系統(tǒng)(例如，包含電池的車輛)的無線電力傳遞相關(guān)的裝置、系統(tǒng)及方法。更確切地說，本發(fā)明涉及電力供應器拓撲。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)引入了包含從例如電池等能量存儲裝置接收的電導出的運動動力的遠程系統(tǒng)，例如車輛。舉例來說，混合動力電動車輛包含機載充電器，所述機載充電器使用來自車輛制動及傳統(tǒng)馬達的電力給車輛充電。純電動車輛一般從其它來源接收電來給電池充電。通常提議通過例如家用或商用AC供應源等某種類型的有線交流電(AC)給電池電動車輛(電動車輛)充電。有線充電連接需要物理上連接到電力供應器的電纜或其它類似連接器。電纜和類似連接器有時可能不方便或笨重，且具有其它缺點。能夠在自由空間中(例如，經(jīng)由無線場)傳送電力以用于給電動車輛充電的無線充電系統(tǒng)可以克服有線充電解決方案的一些缺陷。因此，需要有效及安全地傳遞無線電力的系統(tǒng)及方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]無線電力系統(tǒng)與典型有線線頻率電力系統(tǒng)相比較以相對較高頻率及較高功率電平操作。結(jié)果，用于建構(gòu)無線電力供應器或發(fā)射器的組件經(jīng)受高應力水平。一個此類組件為用于發(fā)射器的逆變器級中的開關(guān)。許多無線電力發(fā)射器使用IGBT作為建構(gòu)供應器的逆變器級的開關(guān)，但可使用MOSFET。IGBT通常是歸因于其在高電流、高電壓、高頻應用中操作的能力而選擇的。盡管有很大的成本，但現(xiàn)代高性能IGBT的裝置等級仍是無線電力傳遞應用中的限制因素。另外，切換逆變器的每一支腿中的多個平行IGBT證明是困難的，且軟切換拓撲會更改如由供應器所見的負載的阻抗。此外，傳統(tǒng)供應器設計中的組件如果失效，那么無線電力傳遞便會停止。因此，本發(fā)明涉及一種可以用于無線電力發(fā)射器中且允許多個模塊的并聯(lián)的電力供應器拓撲，所述每一模塊經(jīng)受減小的負載，同時維持調(diào)諧及性能，且增加無線電力發(fā)射器的強健性。
[0004]在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的系統(tǒng)、方法及裝置的各種實施方案各自具有若干方面，其中的單個方面并不單獨負責本文所描述的所要屬性。在不限制所附權(quán)利要求書的范圍的情況下，本文描述一些顯要特征。
[0005]在附圖及以下描述中闡述本說明書中描述的標的物的一或多個實施方案的細節(jié)。其它特征、方面及優(yōu)點將從描述、圖式及權(quán)利要求書變得顯而易見。應注意，以下各圖的相對尺寸可能未按比例繪制。
[0006]本發(fā)明的一個方面提供一種無線電力發(fā)射器，其包括:導電結(jié)構(gòu)，其經(jīng)配置以產(chǎn)生場；及多個電路，其以可操作方式連接到導電結(jié)構(gòu)且由多個源驅(qū)動以向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)提供實質(zhì)上恒定電流。
[0007]本發(fā)明的另一方面提供一種無線地發(fā)射功率的方法，其包括:經(jīng)由多個源提供導電結(jié)構(gòu)中的實質(zhì)上恒定電流；經(jīng)由導電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生磁場；及以可操作方式將所述多個源中的至少一個源與導電結(jié)構(gòu)斷開連接。
[0008]本發(fā)明的又一方面提供一種無線電力發(fā)射器，其包括用于提供電力的裝置；用于產(chǎn)生磁場的裝置；及用于將用于提供電力的裝置連接到用于產(chǎn)生磁場的裝置的裝置，用于連接的裝置包括用于將發(fā)射器調(diào)諧到諧振頻率的裝置，用于連接的裝置進一步包括用于提供在用于產(chǎn)生磁場的裝置中的實質(zhì)上恒定電流的裝置。
【附圖說明】
[0009]圖1為示范性無線電力傳遞系統(tǒng)的功能框圖。
[0010]圖2為可用于圖1的無線電力傳遞系統(tǒng)中的示范性無線電力發(fā)射器的功能框圖。
[0011]圖3為可用于圖1的無線電力傳遞系統(tǒng)中的示范性無線電力接收器的功能框圖。
[0012]圖4為具有LCL諧振電路負載的無線電力發(fā)射器的簡化電路示意圖。
[0013]圖5A為示范性無線電力發(fā)射器的簡化電路示意圖。
[0014]圖5B為其中電路的一部分斷開連接的圖5A中的無線電力發(fā)射器的簡化電路示意圖。
[0015]圖6為包含用以隔離模塊化供應器的變壓器的示范性無線電力發(fā)射器的簡化電路不意圖。
[0016]圖7為具有冗余模塊的示范性無線電力發(fā)射器的簡化電路示意圖。
[0017]圖8為表明跨模塊的不均衡分配的示范性無線電力發(fā)射器的簡化電路示意圖。
[0018]圖9為展示替代控制器布置的示范性無線電力發(fā)射器的簡化電路示意圖。
[0019]圖10為指示示范性斷開連接點的示范性無線電力發(fā)射器的簡化電路示意圖。
[0020]圖11為展示安置于示范性電動車輛中的可更換的非接觸式電池的功能框圖。
[0021]圖12為用于給電動車輛充電的示范性無線電力傳遞系統(tǒng)的圖。
[0022]圖13為用于沿道路向電動車輛供電的示范性無線電力傳遞系統(tǒng)的圖。
[0023]圖14為展示可用于給電動車輛無線充電的示范性頻率的頻譜的圖表。
[0024]圖15為無線地發(fā)射電力的示范性方法的流程圖。
[0025]圖16為示范性無線電力發(fā)射器的功能框圖。
[0026]圖式中說明的各種特征可能未按比例繪制。因此，為了清晰起見，可能任意擴大或減小各種特征的尺寸。另外，圖式中的一些圖式可能并未描繪給定系統(tǒng)、方法或裝置的所有組件。最后，可在整個說明書和圖式中使用相同的參考標號指代相同的特征。
【具體實施方式】
[0027]下文結(jié)合附圖闡述的詳細描述既定作為對本發(fā)明的示范性實施例的描述，且并不希望表示可實踐本發(fā)明的僅有實施例。貫穿此描述所使用的術(shù)語“示范性”意指“充當實例、例子或說明”，且未必應解釋為比其它示范性實施例優(yōu)選或有利。所述詳細描述出于提供對本發(fā)明的示范性實施例的透徹理解的目的而包括特定細節(jié)。在一些情況下，以框圖形式展示一些裝置。
[0028]以無線方式傳送電力可指代將與電場、磁場、電磁場或其它者相關(guān)聯(lián)的任何形式的能量從發(fā)射器傳遞到接收器，而不使用物理電導體(例如，電力可通過自由空間來傳遞)。輸出到無線場(例如，磁場)中的電力可由“接收線圈”接收、俘獲或耦合以實現(xiàn)電力傳送。
[0029]圖1為示范性無線電力傳遞系統(tǒng)100的功能框圖。將輸入電力102提供到無線電力發(fā)射器110，所述無線電力發(fā)射器將輸入電力102轉(zhuǎn)換成用以驅(qū)動發(fā)射電路的適當形式，所述發(fā)射電路產(chǎn)生用于提供能量傳遞的場108。發(fā)射電路可包含導電結(jié)構(gòu)105及電容器116。導電結(jié)構(gòu)105可產(chǎn)生時變磁場108。接收電路可包含導電結(jié)構(gòu)107及電容器121。導電結(jié)構(gòu)107經(jīng)由磁場108的能量耦合到導電結(jié)構(gòu)105以引發(fā)由無線電力接收器120整流及濾波的電壓。如本文所使用的術(shù)語“導電結(jié)構(gòu)”可為環(huán)路、線圈、天線或其它結(jié)構(gòu)。與發(fā)射器相關(guān)聯(lián)的導電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生用于將能量無線地輸送到與接收器相關(guān)聯(lián)的導電結(jié)構(gòu)的磁場。相反，與接收器相關(guān)聯(lián)的導電結(jié)構(gòu)從由與無線電力發(fā)射器相關(guān)聯(lián)的導電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場接收能量。所得輸出可用于由耦合到輸出電力130的裝置(未圖示)存儲或消耗。導電結(jié)構(gòu)105及導電結(jié)構(gòu)107兩者分開某一距離。導電結(jié)構(gòu)105及導電結(jié)構(gòu)107經(jīng)調(diào)諧以在系統(tǒng)的操作頻率處諧振，從而優(yōu)化電力傳遞的效率。在導電結(jié)構(gòu)107的諧振頻率及導電結(jié)構(gòu)105的諧振頻率極接近時，導電結(jié)構(gòu)105與導電結(jié)構(gòu)107之間的發(fā)射損耗在導電結(jié)構(gòu)107位于磁場108的大部分通量線在導電結(jié)構(gòu)107附近通過或穿過所述導電結(jié)構(gòu)的區(qū)中時最小。
[0030]導電結(jié)構(gòu)105及導電結(jié)構(gòu)107可根據(jù)與其相關(guān)聯(lián)的應用及裝置來設定大小。通過將導電結(jié)構(gòu)105的場的能量中的大部分耦合到導電結(jié)構(gòu)107 (而非以電磁波將大部分能量傳播到遠場)而發(fā)生有效能量傳遞。當處于此近場中時，可在導電結(jié)構(gòu)105與導電結(jié)構(gòu)107之間發(fā)展出耦合模式。在導電結(jié)構(gòu)105及導電結(jié)構(gòu)107周圍的可發(fā)生此近場耦合的區(qū)域在本文中可被稱作耦合模式區(qū)。
[0031]如圖1中所示，無線電力發(fā)射器110可接收在50/60HZ處的公用電力102，且將其轉(zhuǎn)換成在操作頻率處的交流電(AC)以驅(qū)動導電結(jié)構(gòu)105。無線電力發(fā)射器110可包含將公用AC電力轉(zhuǎn)換成脈動DC的整流器111。對于例如電動車輛充電器等大負載，功率因數(shù)校正電路112可用以避免公用網(wǎng)格中的過量電流流動，且對在50/60HZ處的公用電力102進行濾波。脈動DC可由大能量存儲元件113濾波成恒定DC。DC接著可由逆變器電路114轉(zhuǎn)換成方波且由濾波器115濾波成正弦波。此輸出接著可連接到發(fā)射電路的導電結(jié)構(gòu)105。在導電結(jié)構(gòu)105中流動的AC電流可產(chǎn)生時變磁場108。如所述，發(fā)射電路可包含用以在操作頻率處諧振的導電結(jié)構(gòu)105及電容器116，從而產(chǎn)生導電結(jié)構(gòu)105與導電結(jié)構(gòu)107之間的改進磁耦合。
[0032]接收電路中的導電結(jié)構(gòu)107經(jīng)由磁場108耦合到導電結(jié)構(gòu)105且產(chǎn)生AC電力，所述AC電力連接到無線電力接收器120。電容器121及導電結(jié)構(gòu)107可形成在操作頻率處的諧振電路，從而產(chǎn)生在導電結(jié)構(gòu)105與導電結(jié)構(gòu)107之間的更佳磁